Conversão de energia — elétrica, térmica, mecânica, leve

O conceito de energia é usado em todas as ciências. Também é sabido que corpos de energia podem realizar trabalho. Lei da conservação da energia afirma que a energia não desaparece e não pode ser criada a partir do nada, mas aparece em suas várias formas (por exemplo, na forma de térmica, mecânica, luz, energia elétrica, etc.).

Uma forma de energia pode passar para outra e, ao mesmo tempo, proporções quantitativas precisas de diferentes tipos de energia são observadas. De um modo geral, a transição de uma forma de energia para outra nunca é completa, pois sempre existem outros tipos de energia (na maioria indesejados). Por exemplo, no motor elétrico nem toda a energia elétrica é convertida em energia mecânica, mas parte dela é convertida em energia térmica (aquecimento dos fios por correntes, aquecimento pela ação de forças de atrito).

O fato da transição incompleta de um tipo de energia para outro caracteriza o coeficiente de eficiência (eficiência).Este coeficiente é definido como a relação entre a energia útil e sua quantidade total ou como a relação entre a energia útil e o total.

Energia elétrica tem a vantagem de poder ser transmitido com relativa facilidade e com baixa perda em longas distâncias e, além disso, tem uma gama extremamente ampla de aplicações. A distribuição de energia elétrica é relativamente fácil de gerenciar e pode ser armazenada e armazenada em quantidades conhecidas.

Durante um dia de trabalho, uma pessoa gasta em média 1000 kJ ou 0,3 kW de energia. Uma pessoa precisa de aproximadamente 8.000 kJ na forma de alimentos e 8.000 kJ para aquecer residências, instalações industriais, cozinhar, etc. kcal, ou 60 kWh

Energia elétrica e mecânica

A energia elétrica é convertida em energia mecânica nos motores elétricos e, em menor grau, em eletroímãs… Em ambos os casos, os efeitos associados com um campo eletromagnético… As perdas de energia, ou seja, aquela parte da energia que não é transformada na forma desejada, consistem principalmente em custos de energia para aquecimento de fios de perdas de corrente e atrito.

Motores elétricos grandes têm eficiência acima de 90%, enquanto motores elétricos pequenos têm eficiência um pouco abaixo desse nível. Se, por exemplo, o motor elétrico tiver uma potência de 15 kW e uma eficiência igual a 90%, sua potência mecânica (útil) será de 13,5 kW. Se a potência mecânica do motor elétrico for igual a 15 kW, então a potência elétrica consumida com o mesmo valor de eficiência é de 16,67 kWh.

O processo de conversão de energia elétrica em energia mecânica é reversível, ou seja, a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica (ver - Processo de conversão de energia em máquinas elétricas). Para isso, são usados ​​principalmente geradoresque são semelhantes em design aos motores elétricos e podem ser acionados por turbinas a vapor ou turbinas hidráulicas. Esses geradores também apresentam perdas de energia.

Energia elétrica e térmica

Se o fio estiver fluindo eletricidade, então os elétrons em seu movimento colidem com os átomos do material do condutor e os levam a um movimento térmico mais intenso. Nesse caso, os elétrons perdem parte de sua energia. A energia térmica resultante, por um lado, leva, por exemplo, ao aumento da temperatura das peças e fios dos enrolamentos das máquinas elétricas e, por outro lado, ao aumento da temperatura ambiente. Deve ser feita uma distinção entre energia térmica útil e perdas de calor.

Nos aparelhos de aquecimento eléctrico (caldeiras eléctricas, ferros de engomar, estufas de aquecimento, etc.) é aconselhável procurar que a energia eléctrica seja convertida o mais completamente possível em energia térmica. Este não é o caso, por exemplo, no caso de linhas de energia ou motores elétricos, onde a energia térmica gerada é um efeito colateral indesejado e, portanto, muitas vezes deve ser removida.

Como resultado do subseqüente aumento da temperatura corporal, a energia térmica é transferida para o ambiente. O processo de transferência de energia térmica ocorre na forma condução de calor, convecção e radiação de calor… Na maioria dos casos, é muito difícil fornecer uma estimativa quantitativa precisa da quantidade total de energia térmica liberada.

Se um corpo deve ser aquecido, o valor de sua temperatura final deve ser significativamente maior que a temperatura de aquecimento necessária. Isso é necessário para transmitir o mínimo possível de energia térmica ao ambiente.

Se, ao contrário, o aquecimento da temperatura corporal for indesejável, o valor da temperatura final do sistema deve ser pequeno. Para tanto, são criadas condições que facilitem a retirada da energia térmica do corpo (grande superfície de contato do corpo com o ambiente, ventilação forçada).

A energia térmica que ocorre nos fios elétricos limita a quantidade de corrente permitida nesses fios. A temperatura máxima permitida do condutor é determinada pela resistência térmica de seu isolamento. Por que, para garantir a transferência de alguns força elétrica, você deve escolher o valor de corrente mais baixo possível e, consequentemente, o valor de alta tensão. Nessas condições, o custo do material do fio será reduzido. Assim, é economicamente possível transmitir energia elétrica de alta potência em altas tensões.

Conversão de energia térmica em energia elétrica

A energia térmica é convertida diretamente em energia elétrica nos chamados conversores termoelétricos… O termopar de um conversor termoelétrico consiste em dois condutores de metal feitos de materiais diferentes (por exemplo, cobre e constantan) e soldados juntos em uma extremidade.

A uma certa diferença de temperatura entre o ponto de conexão e as outras duas extremidades dos dois fios, CEM, que na primeira aproximação é diretamente proporcional a essa diferença de temperatura. Este termo-EMF, igual a alguns milivolts, pode ser registrado usando voltímetros altamente sensíveis. Se o voltímetro for calibrado em graus Celsius, então, junto com o conversor termoelétrico, o dispositivo resultante pode ser usado para medição direta de temperatura.

O poder de conversão é baixo, então esses conversores praticamente não são usados ​​como fontes de energia elétrica. Dependendo dos materiais usados ​​para fazer o termopar, ele opera em diferentes faixas de temperatura. Para comparação, algumas características de diferentes termopares podem ser indicadas: um termopar cobre-constantan é aplicável até 600 ° C, o EMF é de aproximadamente 4 mV a 100 ° C; um termopar constante de ferro é aplicável até 800 °C, o EMF é de aproximadamente 5 mV a 100 °C.

Um exemplo do uso prático da conversão de energia térmica em energia elétrica — geradores termoelétricos

Energia elétrica e luminosa

Em termos de física, a luz é radiação eletromagnética, que corresponde a uma determinada parte do espectro de ondas eletromagnéticas e que o olho humano pode perceber. O espectro de ondas eletromagnéticas também inclui ondas de rádio, calor e raios-X. Olhar - Quantidades básicas de iluminação e suas proporções

É possível obter radiação de luz usando energia elétrica como resultado de radiação térmica e por descarga de gás.A radiação térmica (temperatura) ocorre como resultado do aquecimento de corpos sólidos ou líquidos, que, devido ao aquecimento, emitem ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda. A distribuição da intensidade da radiação térmica depende da temperatura.

À medida que a temperatura aumenta, a intensidade máxima de radiação muda para oscilações eletromagnéticas com um comprimento de onda mais curto. A uma temperatura de cerca de 6500 K, a intensidade máxima de radiação ocorre em um comprimento de onda de 0,55 μm, ou seja, no comprimento de onda que corresponde à sensibilidade máxima do olho humano. Para fins de iluminação, nenhum corpo sólido pode ser aquecido a tal temperatura, é claro.

O tungstênio suporta a mais alta temperatura de aquecimento. Em garrafas de vidro a vácuo, pode ser aquecido a uma temperatura de 2100 ° C e, em temperaturas mais altas, começa a evaporar. O processo de evaporação pode ser retardado adicionando alguns gases (nitrogênio, criptônio), o que permite aumentar a temperatura de aquecimento para 3000 ° C.

Para reduzir as perdas em lâmpadas incandescentes em decorrência da convecção resultante, o filamento é feito em forma de espiral simples ou dupla. Apesar dessas medidas, porém a eficiência luminosa das lâmpadas incandescentes é de 20 lm / W, que ainda está muito longe do ideal teoricamente alcançável. As fontes de radiação térmica têm uma eficiência muito baixa, porque com elas a maior parte da energia elétrica é convertida em energia térmica e não em luz.

Nas fontes de luz de descarga de gás, os elétrons colidem com átomos ou moléculas de gás e, assim, fazem com que emitam ondas eletromagnéticas de um determinado comprimento de onda. Todo o volume de gás está envolvido no processo de emissão de ondas eletromagnéticas e, em geral, as linhas do espectro dessa radiação nem sempre estão na faixa da luz visível. Atualmente, as fontes de luz LED são as mais utilizadas na iluminação. Olhar - A escolha de fontes de luz para instalações industriais. 

Transição da energia luminosa em energia elétrica

A energia luminosa pode ser convertida em energia elétrica e essa transição é possível de duas maneiras diferentes do ponto de vista físico. Essa conversão de energia pode ser resultado do efeito fotoelétrico (efeito fotoelétrico). Para realizar o efeito fotoelétrico, são usados ​​fototransistores, fotodiodos e fotoresistores.

Na interface entre alguns semicondutores (germânio, silício, etc.) e metais, forma-se uma zona limite na qual os átomos dos dois materiais em contato trocam elétrons. Quando a luz incide na zona limite, o equilíbrio elétrico nela é perturbado, resultando em um EMF, sob a ação do qual surge uma corrente elétrica em um circuito fechado externo. O EMF e, portanto, o valor da corrente depende do fluxo de luz incidente e do comprimento de onda da radiação.

Alguns materiais semicondutores são usados ​​como fotoresistores.Como resultado do impacto da luz no fotorresistor, aumenta o número de portadores livres de cargas elétricas nele, o que causa uma mudança em sua resistência elétrica. Se você incluir um fotorresistor em um circuito elétrico, a corrente neste circuito dependerá nas energias da luz que incide sobre o fotoresistor.

Veja também - O processo de conversão de energia solar em eletricidade

Energia química e elétrica

Soluções aquosas de ácidos, bases e sais (eletrólitos) conduzem mais ou menos corrente elétrica, devido à o fenômeno da dissociação elétrica de substâncias… Algumas das moléculas do soluto (o tamanho dessa parte determina o grau de dissociação) está presente na solução na forma de íons.

Se houver dois eletrodos na solução aos quais uma diferença de potencial é aplicada, os íons começarão a se mover, com os íons carregados positivamente (cátions) movendo-se em direção ao cátodo e os íons carregados negativamente (ânions) em direção ao ânodo.

Chegando ao eletrodo correspondente, os íons adquirem seus elétrons ausentes ou, ao contrário, desistem dos adicionais e, como resultado, tornam-se eletricamente neutros. A massa de material depositada nos eletrodos é diretamente proporcional à carga transferida (lei de Faraday).

Na zona limite entre o eletrodo e o eletrólito, a elasticidade de dissolução dos metais e a pressão osmótica se opõem. (A pressão osmótica causa a deposição de íons metálicos dos eletrólitos nos eletrodos. Este processo químico sozinho é responsável pela diferença de potencial).

Conversão de energia elétrica em energia química

Para conseguir a deposição de uma substância nos eletrodos como resultado do movimento de íons, é necessário gastar energia elétrica. Esse processo é chamado de eletrólise. Essa conversão de energia elétrica em energia química é utilizada na eletrometalurgia para a obtenção de metais (cobre, alumínio, zinco, etc.) em uma forma quimicamente pura.

Na galvanoplastia, os metais ativamente oxidantes são cobertos com metais passivos (dourado, cromado, niquelado, etc.). Na eletroformação, impressões tridimensionais (clichês) são feitas de vários corpos e, se tal corpo for feito de um material não condutor, deve ser coberto com uma camada eletricamente condutora antes que a impressão seja feita.

Conversão de energia química em energia elétrica

Se dois eletrodos feitos de metais diferentes forem abaixados no eletrólito, surge uma diferença de potencial entre eles, devido à diferença na elasticidade de dissolução desses metais. Se você conectar um receptor de energia elétrica, por exemplo, um resistor, entre os eletrodos fora do eletrólito, uma corrente fluirá no circuito elétrico resultante. Veja como eles funcionam células galvânicas (elementos primários).

A primeira célula galvânica de cobre-zinco foi inventada por Volta. Nesses elementos, a energia química é convertida em energia elétrica. O funcionamento das células galvânicas pode ser prejudicado pelo fenômeno da polarização, que ocorre em decorrência da deposição de uma substância nos eletrodos.

Todas as células galvânicas têm a desvantagem de que a energia química é irreversivelmente convertida em energia elétrica nelas, ou seja, as células galvânicas não podem ser recarregadas. Eles são desprovidos dessa desvantagem acumuladores.